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CURSO TEORICO-PRÁCTICO CURSO TEORICO-PRÁCTICO BIOLOGÍA SINTÉTICA BIOLOGÍA SINTÉTICA Tema 1. Tema 1. BIOLOGÍA DE BIOLOGÍA DE PROCARIONTES Y EUCARIONTES PROCARIONTES Y EUCARIONTES

CURSO TEORICO-PRÁCTICO BIOLOGÍA SINTÉTICA

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CURSO TEORICO-PRÁCTICO BIOLOGÍA SINTÉTICA. Tema 1. BIOLOGÍA DE PROCARIONTES Y EUCARIONTES. - PowerPoint PPT Presentation

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CURSO TEORICO-PRÁCTICOCURSO TEORICO-PRÁCTICO

BIOLOGÍA SINTÉTICABIOLOGÍA SINTÉTICA

Tema 1. Tema 1.

BIOLOGÍA DE BIOLOGÍA DE

PROCARIONTES Y PROCARIONTES Y EUCARIONTESEUCARIONTES

Hace unos 3.7 mil millones de años, aparecieron sobre la Tierra los primeros seres vivos que eran microorganismos unicelulares primitivos y los datos de registros fósiles indican que eran células del tipo Procarionte, estos organismos (bacterias) alcanzaron pleno éxito en su desarrollo y reproducción gracias a su notable poder de adaptación hace unos 3.5 mil millones de años., Posteriormente surgieron células más especializadas llamadas Eucariontes aprox. hace unos 1.5 mil millones de años. Registros fósiles de esta época muestran un abrupto incremento en el tamaño y las formas celulares.

Cuando surgieron las primeras células Procarionte estas se encontraban en ambientes ricos en nutrientes y las reacciones metabólicas eran poco necesarias. A medida que estos recursos se agotaron, los organismos que habían desarrollado sistemas enzimáticos para fabricar moléculas orgánicas a partir de átomos como el hidrógeno, carbono y el nitrógeno en procesos, tales como, la fotosíntesis, fermentación y fijación de nitrógeno atmosférico en las proteínas, presentaron una mayor capacidad para adaptarse y ventaja respecto de las otras células produciendo aumento en sus poblaciones, esto ha sido observado en registros de microfósiles encontrados en rocas del pre-Cámbrico “estromatolitos”. Los registros indican que este Procarionte era del tipo de las cianobacterias, que son microorganismo fotosintéticos.

Estas células recurren a la energía de la luz solar para extraer de las moléculas de agua el hidrógeno para la construcción de moléculas más complejas, dejando libre como sub-producto el oxígeno molecular.

Propiedades de los seres vivosPropiedades de los seres vivos

La vida puede definirse según 7 propiedades básicas de los seres vivos, La vida puede definirse según 7 propiedades básicas de los seres vivos, que nos que nos

permiten diferenciarlos del resto de la materia inorgánica:permiten diferenciarlos del resto de la materia inorgánica:

Se componen de células Se componen de células Crecen y se desarrollan Crecen y se desarrollan Regulan sus procesos metabólicos y de desarrollo Regulan sus procesos metabólicos y de desarrollo Presentan movimiento Presentan movimiento Reaccionan a estímulos Reaccionan a estímulos Se reproducen Se reproducen Las poblaciones evolucionan y se adaptan al ambienteLas poblaciones evolucionan y se adaptan al ambiente

Los virus, un caso especialLos virus, un caso especial Los virus cumplen con tres de estas características, pero no tienen Los virus cumplen con tres de estas características, pero no tienen

metabolismo. Sin embargo, si consideramos que la característica metabolismo. Sin embargo, si consideramos que la característica básica de un ser vivo es la evolución biológica, también los virus básica de un ser vivo es la evolución biológica, también los virus podrían considerarse seres vivos. podrían considerarse seres vivos.

La teoría celular establece que todos los seres vivos están formados por células, que son las unidades básicas de vida, y que cada célula proviene de otra célula.

Las células procariontas no poseen núcleos u órganos dentro de las membranas. Las especies en los dominios archaea y eubacterias , poseen células procariotas.

Las células eucariontas tienen un núcleo y órganos cubiertos por membranas. Cada órgano tiene una función específica. Todas las especies en el dominio de las eucariontas (protistas, hongos, plantas, y animales) tienen eucariotas. Los protozoarios individuales son pequeños y tienen una sola célula, mientras que una planta o animal tiene trillones de células. Criaturas complejas como los seres humanos, tienen células particulares que están destinadas a funciones específicas como las de llevar oxígeno a lo largo del cuerpo, digestión de los alimentos o formación de los huesos.

Célula Eucarionta

Célula Procarionta

Célula Procarionta

Célula Eucarionta

 Figura Arbol Filogenético: las ramas del árbol muestran descendencia común, pero, su longitud no indica el paso del tiempo.

•Eubacteria

•Arqueobacteria

•Eucarionte

Los seres vivientes se dividen en tres grandes grupos, de acuerdo a su parecido genético.

Estos tres grupos (DOMINIOS) son:

•Archaea: bacterias muy primitivas. •Eubacterias: bacterias más avanzadas. •Eucariota: todo tipo de vida con células eukaryóticas, incluyendo plantas y animales

- La evidencia presentada por la biología molecular sugiere que - La evidencia presentada por la biología molecular sugiere que los primitivos procariotas se separaron en dos grupos muy los primitivos procariotas se separaron en dos grupos muy temprano en el desarrollo de la vida en la tierra, los temprano en el desarrollo de la vida en la tierra, los descendientes de estas dos líneas son lasdescendientes de estas dos líneas son las EubacteriasEubacterias y las y las ArqueobacteriasArqueobacterias

 DOMINIOS BACTERIA ARCHEA EUKARYA

Células  procariotas eucariotas

Núcleo con no SI

Membranas lipídicas

enlazados por ester, no ramificados

enlaces eter, ramificado

enlazados por éster,no ramificados

organelas no SI

ribosomas 70S 80S

EUBACTERIAS

y permiten desarrollar importantes progresos en la investigación, concretamente en fisiología celular y en genética

PHYLUM PROTEOBACTERIAPHYLUM PROTEOBACTERIA

Principales características de Principales características de Archaea:Archaea:

• Morfológicamente similares a Eubacteria.• Ausencia de peptidoglicanos.• Cromosoma circular.• Presencia de operones.• Trascripción y traducción unidas.• Complejo RNA polimerasa.

Operon = grupo de genes cuya expresión está controlada por un operador sencillo.

• Proteínas parecidas a histonas, nucleosomas.

• TATA elementos promotores (sitio de unión de la RNA polimerasa).

• Intrones en genes (regiones no codificantes).

• Múltiple subunidad de RNA polimerasa (12 subunidades vs. 5 en Eubacteria).

• Colonizan ambientes extremos.Colonizan ambientes extremos.• Lípidos unidos con enlaces éter.Lípidos unidos con enlaces éter.

Diversos grupos en ambientes hipersalinosDiversos grupos en ambientes hipersalinos Muy alto requerimiento por salMuy alto requerimiento por sal

Por lo menos 1.5M (9%) NaClPor lo menos 1.5M (9%) NaCl Muchas spp: 2-4M (12-23%) NaClMuchas spp: 2-4M (12-23%) NaCl Todas pueden crecer a 5.5M (32%) NaClTodas pueden crecer a 5.5M (32%) NaCl

Hábitat: ambientes de alta salinidad.Hábitat: ambientes de alta salinidad. Estanques solares de evaporación de salEstanques solares de evaporación de sal Ambientes artificiales (superficies con sales Ambientes artificiales (superficies con sales

pesadas).pesadas). Alimentos con altas concentraciones de sal Alimentos con altas concentraciones de sal

(salchichas, pescado y carne)(salchichas, pescado y carne)

Ambientes hipersalinosAmbientes hipersalinos En áreas cálidas y secas.En áreas cálidas y secas. Lagos salados naturalesLagos salados naturales Gran lago salado (Utah).Gran lago salado (Utah).

Agua de mar concentrada (10 x): Agua de mar concentrada (10 x): NaNa++ + Cl + Cl- - predominantepredominante

Mar Muerto:Mar Muerto: MgMg++ predominante, bajo en Na predominante, bajo en Na++

Lagos Soda:Lagos Soda: Altos niveles de COAltos niveles de CO33

--

pH: 10-12pH: 10-12 CaCa2+2+ & Mg & Mg2+2+ virtualmente absentes virtualmente absentes

Lagos salados: Lagos salados: DunaliellaDunaliella Lagos alcalinos de altura:Lagos alcalinos de altura:

Bacterias Purpuras: anaerobias Bacterias Purpuras: anaerobias fotosintéticas.fotosintéticas.

Muchas Muchas EuryarcheotaEuryarcheota producen CH producen CH44 Diversidad y fisiología de metanogenasDiversidad y fisiología de metanogenas

AnOAnO22 obligadas, estrictas anóxicas obligadas, estrictas anóxicas Mayoría mesofílicas, extremofilas (altas y bajas T°, Mayoría mesofílicas, extremofilas (altas y bajas T°,

sal)sal) Química de la pared celular:Química de la pared celular: Methanobacterium: Methanobacterium: pseudopeptidoglicanospseudopeptidoglicanos Methanosarcina Methanosarcina (d): metanocondriotina(d): metanocondriotina Methanocaldococcus:Methanocaldococcus: proteínas proteínas Methanoplanus:Methanoplanus: glicoproteínas glicoproteínas Methanospirillum Methanospirillum (c): Capa de azufre(c): Capa de azufre

Termofilica + acidofilica extremaTermofilica + acidofilica extrema La más acidofilica de los procariontesLa más acidofilica de los procariontes Picrophilus crece a Picrophilus crece a pH < 0!pH < 0!

ThermoplasmaThermoplasma sp sp

Thermoplasma:Thermoplasma: Quimiorganotrofos, 55°C. pH 2, Fac OQuimiorganotrofos, 55°C. pH 2, Fac O22

Respiración Sulfuro (aero/ana)Respiración Sulfuro (aero/ana) Sin pared celularSin pared celular

T. volcanicum:T. volcanicum: campos de azufre, alta campos de azufre, alta movilidad con múltiples flagelosmovilidad con múltiples flagelos

Membrana con material parecido a Membrana con material parecido a lipopolisacaridos (estable a condiciones lipopolisacaridos (estable a condiciones ácidas y calientes)ácidas y calientes)

Lípidos tetraeter (Man + Glu unidades)Lípidos tetraeter (Man + Glu unidades) glicoproteína, glicoproteína, no esterolno esterol

Genoma pequeño, DNA enrollado por Genoma pequeño, DNA enrollado por proteínas básicas (homologas a histonas en proteínas básicas (homologas a histonas en eukaryotes)eukaryotes)

Ambos extremos de Temperatura: agua hirviendo y Ambos extremos de Temperatura: agua hirviendo y congeladacongelada

La mayoría cultivadas = hipertermofilas > 80°CLa mayoría cultivadas = hipertermofilas > 80°C Fuentes geotermales con SFuentes geotermales con S00 o H o H22SS Sulfataras: 100°C, pH 5-8 o Sulfataras: 100°C, pH 5-8 o 1 1 HH22S y SS y S00 oxidación oxidación →→ ácido sulfúrico ácido sulfúrico Ventilas Hidrotermales, optima> 100°CVentilas Hidrotermales, optima> 100°C Sulfatara, Yellowstone rico en HSulfatara, Yellowstone rico en H 22

Manantial caliente rico en Sulfuro,Manantial caliente rico en Sulfuro,

Hábitat de Hábitat de SulfolobusSulfolobus

Manantial hirviendo a pH neutroManantial hirviendo a pH neutroManantial geotérmico rico en fierroManantial geotérmico rico en fierro

Hábitat de Hábitat de SulfolobusSulfolobus

Hábitats fríos de Crenarchaeota:Hábitats fríos de Crenarchaeota: Muestra de una comunidad con fluorescencia de r-Muestra de una comunidad con fluorescencia de r-

RNARNA Agua marina de amplia distribución (aguas frías Agua marina de amplia distribución (aguas frías

bajo la capa superficial de hielo, Antártica)bajo la capa superficial de hielo, Antártica) Planctónica ± 10Planctónica ± 1044/ml/ml Lípidos unidos por enlaces eterLípidos unidos por enlaces eter

Metabolismo:Metabolismo: Hipertermofilas: AnOHipertermofilas: AnO2 2 Obl.Obl. Quimioorganothofas o QuimiolitotrofasQuimioorganothofas o Quimiolitotrofas Respiración ORespiración O22 y AnO y AnO22 Donador de eDonador de e--: H: H22, aceptor de e, aceptor de e--: S: S00, NO, NO33

- -

(Quimiolitotrofas en condiciones anóxicas) (Quimiolitotrofas en condiciones anóxicas) Oxidación SOxidación S00 o Fe o Fe2+2+ aeróbicamente o aeróbicamente o

FeFe2+2+ AnO AnO22 con NO con NO33-- como aceptor de e como aceptor de e--

La mayoría de las termofilicas fototróficas crecen a La mayoría de las termofilicas fototróficas crecen a 70°C70°C

EVOLUCIÓN DE LA VIDA A ALTAS EVOLUCIÓN DE LA VIDA A ALTAS TEMPERATURAS TEMPERATURAS

Sensibilidad de las biomoleculas al calorSensibilidad de las biomoleculas al calor La estabilidad de proteínas y DNA en La estabilidad de proteínas y DNA en

hipertermofilas es criticahipertermofilas es critica Proteínas termoestables:Proteínas termoestables:

Altos núcleos hidrofobicosAltos núcleos hidrofobicos Los pliegues afectan a heatLos pliegues afectan a heatRR

Cambios sutiles en la secuencia de a. á. Cambios sutiles en la secuencia de a. á. => estable a la temperatura=> estable a la temperatura

Proteínas chaperon: funcionan para Proteínas chaperon: funcionan para retrazar parcialmente la retrazar parcialmente la desnaturalización de proteínas (en desnaturalización de proteínas (en Pyridictium thermosomesPyridictium thermosomes))

Estabilidad de biomoleculas al calorEstabilidad de biomoleculas al calor Estabilidad del DNA:Estabilidad del DNA:

Hipertermofilas metanogenas contiene Hipertermofilas metanogenas contiene en el citoplasma grandes cantidades de:en el citoplasma grandes cantidades de:

K cíclico 2,3-difosfogliceratoK cíclico 2,3-difosfoglicerato Todas las hipertermofilas:Todas las hipertermofilas:

Única reversa DNA girasaÚnica reversa DNA girasa => enrolla => enrolla positivamente al positivamente al DNA = estable al DNA = estable al calorcalor

Pequeñas proteínas que ligan al DNA:Pequeñas proteínas que ligan al DNA: Sulfolobus:Sulfolobus: Sac7d - Sac7d - incrementa la incrementa la

temperatura de fusión del DNA temperatura de fusión del DNA hasta 40°Chasta 40°C

Histonas Archaea: empaquetan y Histonas Archaea: empaquetan y compactan el DNA en estructura compactan el DNA en estructura parecidas a nucleosomasparecidas a nucleosomas

Estabilidad de lípidos:Estabilidad de lípidos: Dibifitanil tetraeter en membranaDibifitanil tetraeter en membrana Monocapas de lípidosMonocapas de lípidos

DNADNAácido ácido

desoxiribonucleicodesoxiribonucleico

El DNA (ácido desoxiribonucleico) El DNA (ácido desoxiribonucleico) es un ácido nucleico formado por es un ácido nucleico formado por nucleótidos. Estos están nucleótidos. Estos están constituidos por una azúcar constituidos por una azúcar desoxiribosa de cinco carbones en desoxiribosa de cinco carbones en el cual se fija un fosfáto el cual se fija un fosfáto esterificado en la posición 5’ del esterificado en la posición 5’ del anillo de azucar y en el sitio 1’ se anillo de azucar y en el sitio 1’ se fija una base nitrogenada. Existen fija una base nitrogenada. Existen dos tipos de bases, las pirimidinas dos tipos de bases, las pirimidinas más pequeñas y las purinas de más pequeñas y las purinas de mayor tamaño (Karp, 1998). Las mayor tamaño (Karp, 1998). Las pirimidinas tienen un anillo de seis pirimidinas tienen un anillo de seis lados (Citocina y Timina) y las lados (Citocina y Timina) y las purinas poseen anillos de cinco y purinas poseen anillos de cinco y seis fusionados (Adenina y seis fusionados (Adenina y Guanina), a las bases se les llama Guanina), a las bases se les llama generalmente por sus letras generalmente por sus letras iniciales A, G, C y T (Lewin, 1993).iniciales A, G, C y T (Lewin, 1993).

Fosfato

Azucar

Base nitrogenada

La estructura del DNA está representada por una doble hélice, cuya caracterización básica fue deducida por James Watson y Francis Crick en 1953. Watson y Crick propusieron que en la doble hélice las cadenas polinucleótidas, no están unidas por enlaces covalentes, sino asociadas por medio de puentes de hidrógeno formados entre las bases nitrogenadas (Fig. 1.1.3).

Las cadenas polinucleótidas se encuentran en sentidos opuestos (antiparalelos), esta cadena va en sentido 5’-3’, mientras su cadena complementaria va en sentido 3’-5’. El armazón azúcar-fosfáto está en el exterior y tiene carga negativa debido a los grupos fosfato y las bases están en el interior, las cuales presentan una estructura plana, formando parejas perpendiculares al eje de la hélice, conformando una escalera en espiral y las bases constituyen los escalones dando una estabilidad termodinámica de la doble hélice de dos maneras: La energía se libera a) Por los puentes de hidrógeno formados entre las bases de cada par, b) Por el apilamiento hidrofóbico de bases. Cada par de bases tienen un giro de ~ 36° alrededor del eje de la hélice con respecto al par de bases siguiente. Aproximadamente ~ 10 pares de bases completan una vuelta de 360°. El giro de las dos cadenas, una alrededor de la otra forma una doble hélice con un surco menor (~ 12 Å) y un surco mayor alrededor de 22 Å. La doble hélice es dextrógira (gira en el sentido de las manecillas del reloj) Fig. 1.1.4 (Lewin, 1993).

Los genes son secuencias específicas dentro de la doble hélice del DNA y perduran como secuencias de ácido nucleico pero funcionan expresándose en forma de proteínas. Los procesos responsables de la herencia de la información genética y de su conversión de una a otra forma son tres: Duplicación, Transcripción y Traducción.